W jakich usługach chemicznych grafitowy wymiennik ciepła przewyższa jednostkę PTFE?

Zarówno grafit, jak i PTFE są mistrzami w korozyjnym przenoszeniu ciepła, jednak oba mają swoje mocne strony. Znajomość usług, w których grafit ma lepsze właściwości niż PTFE, zapobiegnie kosztownym błędnym zastosowaniom. PTFE jest materiałem odpornym chemicznie i elastycznym mechanicznie, ale grafit ma doskonałą przewodność cieplną i odporność na wysoką temperaturę, co czyni go materiałem wybieranym w wąskim zakresie działań korozyjnych. Wymienniki ciepła grafit i PTFE są dobrze znane, a inżynierowie mogą wybrać najbardziej niezawodne i opłacalne-rozwiązanie.

Gorący kwas siarkowy (70–98%) - Twierdza grafitu
Jedną z najbardziej agresywnych chemikaliów przemysłowych jest stężony gorący kwas siarkowy. Grafit (impregnowany żywicą fenolową lub PTFE, typ nieprzepuszczalny) dobrze radzi sobie w tym środowisku do 200 stopni. Materiał jest odporny zarówno na utlenianie, jak i odwodnienie oraz zachowuje integralność strukturalną nawet przy wysokim stężeniu.

Podczas gdy PTFE jest ograniczony do około 110 stopni w przypadku długotrwałego użytkowania w kwasie siarkowym. Powyżej tej temperatury PTFE słabnie i traci swoją wytrzymałość mechaniczną. Istotna staje się także szczelina przewodzenia ciepła. Do chłodzenia lub ogrzewania stężonego kwasu wymagana jest wydajna wymiana ciepła, aby uniknąć miejscowego przegrzania lub przechłodzenia, które może przyspieszyć korozję lub spowodować uszkodzenie produktu.

W zastosowaniach takich jak rozcieńczanie kwasu siarkowego,-międzystopniowe chłodzenie instalacji kontaktowych lub jednostki zagęszczania kwasu, grafitowe wymienniki ciepła są zazwyczaj jedynym możliwym-rozwiązaniem niemetalowym. Mają doskonałą przewodność cieplną i umożliwiają kompaktowe konstrukcje. Ich odporność na korozję jest stabilna przez lata użytkowania.

Kwas solny, zanieczyszczony organicznie
Kwas solny jest bardzo żrący dla większości metali w dowolnej ilości. Zarówno grafit, jak i PTFE są dobrze tolerowane przez czysty HCl. Jeśli jednak kwas zawiera zanieczyszczenia organiczne, takie jak chlorowane rozpuszczalniki, oleje lub produkty uboczne reakcji, często preferowanym wyborem jest grafit.

Grafit jest odporny na HCl aż do jego temperatury wrzenia (110 stopni dla wytrzymałości azeotropowej) i nie mają na niego wpływu śladowe substancje organiczne. PTFE jest również odporny na te substancje organiczne, ale wadą jest niższa przewodność cieplna PTFE. Dla danego obciążenia powierzchnia wymiany ciepła wymiennika PTFE jest znacznie większa. Tam, gdzie płyn procesowy zawiera lepkie substancje organiczne, dłuższe rurki i większa obudowa jednostki PTFE zwiększają prawdopodobieństwo zanieczyszczenia i trudności w czyszczeniu. Grafit jest oferowany w postaci zwartych bloków lub skorupy-i-rur, co minimalizuje czas przebywania i powierzchnię osadzania.

W praktyce w przypadku instalacji HCl o umiarkowanym lub wysokim obciążeniu cieplnym grafit oferuje mniejszy, bardziej responsywny wymiennik, który jest łatwiejszy do czyszczenia i konserwacji.

Usługi wymagające wysokich współczynników wymiany ciepła
Grafit ma przewodność cieplną rzędu 80–120 W/m·K, kilkaset razy większą niż PTFE (0,25 W/m·K). Grafit jest materiałem wybieranym tam, gdzie krytyczna jest zwartość i duża wydajność cieplna. Korzyści są maksymalne w:

Chłodzenie lub ogrzewanie cieczy-o wysokim przepływie - Ogólny współczynnik przenikania ciepła dla wymiennika cieczy grafitowej- wynosi zwykle 600–1200 W/m2·K, podczas gdy dla PTFE wynosi 200–400 W/m2·K. Różnica polega na tym, że jednostka grafitowa może być od 2 do 5 razy mniejsza przy tym samym obciążeniu.

Kondensacja oparów korozyjnych - Wysokie współczynniki-filmu bocznego rury są wymagane w przypadku działań związanych z kondensacją. Niska przewodność PTFE stanowi poważne wąskie gardło ze względu na oporność warstwy kondensującej cieczy. Grafit będzie skutecznie kondensował, często na mniej niż jednej trzeciej powierzchni wymaganej dla jednostki PTFE.

Szybkie nagrzewanie lub chłodzenie wsadu - W przypadku operacji wsadowych, w których czas cyklu ma kluczowe znaczenie, niska masa termiczna i duża przewodność cieplna grafitu umożliwiają szybki wzrost temperatury. Powolna reakcja PTFE również wydłuża czas cyklu.

Zwartość grafitu jest decydującym czynnikiem w zastosowaniach, w których przestrzeń jest na wagę złota, takich jak płozy reaktorów chemicznych, pomieszczenia czyste w przemyśle farmaceutycznym lub modernizacje istniejących budynków.

Kiedy PTFE jest lepszy od grafitu (potwierdzenie)
Każde uczciwe porównanie musi uwzględniać usługi, w przypadku których PTFE jest lepszy. PTFE jest lepszy niż grafit, jak poniżej:

Serwis Dlaczego warto wybrać PTFE
Silne kwasy utleniające (np. stężony kwas azotowy, kwas chromowy) W warunkach utleniania impregnacja żywicą ulega atakowi, powodując utratę odporności na korozję w nieprzepuszczalnym graficie. PTFE zasadniczo nie jest-utleniający.
Gorące, silne zasady (np.. 50% NaOH powyżej 100 stopni) Gorące zasady atakują grafit. PTFE jest odporny na żrące substancje aż do granic temperatur.
Oleum (dymiący kwas siarkowy zawierający wolny SO₃)Grafit reaguje z wolnym SO 3 . PTFE jest trwały.
Układy narażone na duże wibracje lub uderzenia wodne. Grafit jest kruchy i dlatego pęka. PTFE jest elastyczny, więc wytrzymuje wstrząsy mechaniczne.
Duże lub ścierne substancje w płynach Kanały grafitowe zatykają lub ulegają degradacji. Rurki PTFE mogą się zginać i przechodzić przez cząstki.
Grafit będzie reagował z oleum, gorącymi, mocnymi substancjami żrącymi lub kwasami utleniającymi, np. stężonym azotem. W przypadku tych usług należy zbadać PTFE lub inne materiały (np. tantal, węglik krzemu).

Tabela podsumowująca: Wytyczne dotyczące decyzji
Krótki przewodnik dotyczący wyboru grafitu lub PTFE do zastosowań chemicznych przedstawiono w poniższej tabeli:

Usługi chemiczne Wydajność grafitu Preferowane materiały wydajnościowe PTFE
Gorący H2SO4 (70-98%, 80-200oC) Doskonała Ograniczona temperatura